建筑材料的力学性质-了解建筑材料的力学特性

材料在外力（荷载）作用下的有关变形性质和抵抗破坏的能力，称为材料的力学性质。

1.2.1　强度与比强度

材料在外力（荷载）的作用下抵抗破坏的能力称为强度。当材料承受外力作用时，内部就产生应力，外力增大时应力也随之增大。当材料不能再承受时，材料即破坏，此时的极限应力就是材料的极限强度。

根据受力方式的不同，材料的强度有抗压强度、抗拉强度、抗弯（折）强度和抗剪强度之分，如图1-2所示。

图1-2　材料的强度分类

（a）压力；（b）拉力；（c）弯曲；（d）剪切

材料的抗压、抗拉和抗剪强度，可用式（1-19）计算:

式中　f——材料的强度，MPa；

Fmax——材料破坏时的荷载，N；

A——材料的受力面积，mm2。

材料的抗弯（折）强度与加荷方式有关，集中单荷载时的抗弯（折）强度用式（1-20）计算、集中对称双荷载时的抗弯（折）强度用式（1-21）计算:

式中　fm——材料的抗弯（折）强度，MPa；

Fmax——材料受弯时的破坏荷载，N；

L——两支点间的距离，mm；

a——双荷载受力点的距离，mm；

b、h——材料横截面的宽度、高度，mm。

相同种类的材料，随孔隙率及构造特征的不同，强度会有显著差异。一般来说孔隙率越大，材料强度越低，其强度与空隙有近似的直线关系。不同种类的材料，强度差异很大，使用条件也有所区别。砖、石材、混凝土等非均质的脆性材料其抗压强度较高，而抗拉强度和抗折强度却很低，故多用于墙体、基础等结构的承压部位。而钢材的抗压、抗拉强度都很高，适用于承受各种外力的结构和构件。

材料的强度大小除决定于材料的成分、结构和构造等内在因素外，还与试件的形状、尺寸、表面状态、含水率、环境温度及加荷速度等诸多外在因素有关。

在工程应用中，大部分建筑材料按其强度的大小划分为若干不同的强度等级或牌号。这对生产者和使用者均有重要的意义，它可使生产者控制质量时有据可依，从而保证产品质量；也有利于使用者掌握性能指标，合理选用材料，正确设计和控制工程质量。

建筑材料的发展方向之一是轻质高强，而这要靠比强度这一指标来评价。比强度是指材料单位质量的强度，其值等于材料强度与表观密度的比值。比强度越大，则表明材料轻质高强。几种主要材料的比强度如表1-2所示。(www.xing528.com)

表1-2　几种主要材料的比强度

由表1-2可见，烧结普通砖比强度最小，玻璃钢和木材比强度最大，是轻质高强的高效能材料，而普通混凝土为质量大而强度较低的材料，但其应用范围也日益广泛、用量也日渐增大，故努力促其向轻质高强方向发展，是一项十分重要的工作。

1.2.2　材料的变形

1.2.2.1　弹性变形与塑性变形

材料在外力作用下产生形状、体积的改变，当外力去掉后，材料变形即可瞬间消失并能恢复原有形状的性质，称为材料的弹性。这种可恢复的变形称为弹性变形。弹性变形是可逆的，其数值大小与外力成正比，其比例系数称为弹性模量。在弹性变形范围内，弹性模量的值等于应力与应变之比，是一个常数。弹性模量是衡量材料抵抗变形能力的一个指标，其值越大，材料越不易变形。

材料在外力的作用下产生变形，但不破坏，除去外力后，仍保持变形后的形状和尺寸的性质，称为材料的塑性，这种不可恢复的变形称为塑性变形或永久变形。

实际上，工程材料具有完全弹性或完全塑性是没有的。通常一些材料在外力不大时，仅产生弹性变形，而当外力超过一定限度后，就产生塑性变形，如低碳钢；另外，许多材料受力时，弹性变形和塑性变形同时产生，当外力去掉后，弹性变形能恢复，而塑性变形则不能，如混凝土。

在规定的温度、湿度及加荷速度条件下施加外力，当外力达到一定限度，突然破坏且无明显塑性变形的材料称为脆性材料；能吸收较大能量，产生一定的变形而不致破坏的材料称为韧性材料。

脆性材料的抗压强度远大于抗拉强度，其抵抗冲击、震动荷载的能力差，如混凝土、玻璃、砖、石等。而韧性材料抗冲击、震动荷载的能力强，如建筑钢材、木材、橡胶等，常用于桥梁、吊车梁等承受冲击荷载的结构和有抗震要求的结构。但材料呈脆性还是韧性，不是固定不变的，可随温湿度、加荷速度及受力状况的不同而改变，如沥青材料在常温及缓慢加荷时呈现韧性，在低温及快速加荷时，则表现为脆性。

1.2.2.2　徐变与松弛

固体材料在特定外力的长期作用下，变形随时间延续而逐渐增大的现象称为徐变；若变形因受约束而不能发展时，其应力随时间的延长而逐渐减小，这一现象称为应力松弛，简称松弛。产生徐变与松弛的原因，主要是非晶体材料在外力作用下发生了黏性流动或晶体材料发生了晶格错动或滑移。徐变和应力松弛的产生还与材料受力大小和环境温湿度有关。当应力未超过某一极限值时，徐变的发展会随时间延长而增加，最后导致材料破坏。材料所处环境的温度越高、湿度越大，徐变和松弛也越大。一般材料的徐变越大，应力松弛也越大。

1.2.3　硬度与耐磨性

材料表面抵抗硬物压入或刻划的能力称为硬度。测定硬度的方法有多种，通常有刻划法、压入法和回弹法三种，对不同材料测定硬度的方法不同。刻划法常用于测定天然矿物的硬度，如莫氏硬度，按其递增顺序分为10级:1滑石；2石膏；3方解石；4萤石；5磷灰石；6正长石；7石英；8黄玉；9刚玉；10多刚石。木材、混凝土、钢材等的硬度常用压入法测定，如布氏法测得布氏硬度。回弹法常用于测定混凝土构件表面的硬度，以此推算混凝土的抗压强度。

材料表面抵抗磨损的能力称为材料的耐磨性。材料磨损后其体积和质量均会减小，若减小仅因摩擦引起称为磨损，若由摩擦和冲击两种作用引起称为磨耗。材料的硬度越大，耐磨性越好，强度越高，但不易机械加工。

材料的耐磨性以磨损率表示，磨损率越低，表明材料的耐磨性越好。磨损率用式（1-22）计算:

式中　B——材料的磨损率，g/cm2；

m1、m2——材料被磨损前的质量，g；

A——材料受磨损的面积，cm2。

建筑工程中，用于道路、地面等部位的材料，均应考虑其硬度和耐磨性。水利工程中，如大坝的溢流面、闸墩和闸底板等部位，经常受到挟砂水流的高速冲刷作用，或受水底挟带石子的冲击而遭到破坏，这些部位都要考虑材料的耐磨性。

一般来说，强度较高且密实，韧性好的材料，其硬度较大，耐磨性较好。